A Study on the Combustion Characteristic of Building Materials

송재용

․사승훈․남정우․김진표․박종택

(2010. 12. 28. 접수 / 2011. 3. 6. 채택)

A Study on the Combustion Characteristic of Building Materials

Jae-Yong Song

․Seung-Hun Sa․Jung-Woo Nam․Jin-Pyo Kim․Jong-Taek Park

(Received December 28, 2010 / Accepted March 6, 2011)

Abstract : This paper studied combustion characteristics of the building materials such as polyurethane-foam, sponge type sound-absorbing materials and styrofoam. To estimate of the combustion characteristics, we carried out combustion experiment of the building materials. And then to evaluate the suitability of the building materials, we measured heat release rate(HRR) and smoke density(Ds) of polyurethane-foam, sponge type sound-absorbing materials and styrofoam using by a cone-calorimeter. From the combustion experimental results, the general type sound-absorbing materials (GSAM) and styrofoam were rapid burned simultaneously with ignition and the incombustibility type sound-absorbing materials(ISAM) and polyurethane-foam had all gone out simultaneously with ignition. Measured results of HRR and Ds were not satisfied KS F ISO 5660-1 and IMO FTP Code, from the results, the polyurethane-foam, the sponge type sound-absorbing material and the styrofoam were ill-suited for using building interior materials.

Key Words : combustion characteristic, building material, heat release rate, smoke density

1. 서 론^*

2008년 이천 냉동창고, 안산 성인오락실, 2009년 영도 노래주점 및 부산 실내사격장에서 발생한 화 재사고는 많은 인명피해를 유발하였으며, 밀폐구조 로 구성되고, 내부에 폴리우레탄 재질의 건축용 내 장재를 다량 사용하였다는 공통적인 특징이 있다.

현재 방음 및 보온 등의 목적으로 가장 널리 사용 되고 있는 건축용 내장재는 폴리우레탄폼 및 스펀 지형 흡음재이며, 가건물 구조에 많이 사용되는 스 티로폼 등이 있다. 이들은 소방법상 특수가연물로 분류되는 재료이며, 화재사고 발생 시, 급속히 연소 되는 특징을 갖는 것으로 알려져 있다. 그럼에도 불 구하고 구체적인 연소 특성에 대한 평가 및 열방출 률 등의 측정 분석은 미미한 실정이다¹⁾.

따라서 본 연구에서는 현재 가장 광범위하게 사 용되는 건축용 내장 3종을 대상으로 연소특성 평가 를 수행하였다. 연소 특성 평가에는 실험틀을 이용 한 연소 거동 특성 평가 및 콘칼로리미터법을 적용 한 열방출률 및 연기밀도 측정을 수행하였다^2-4). 실

†To whom correspondence should be addressed.

[email protected]

험결과로부터 이들 특수가연물로 분류되는 폴리우 레탄폼, 스펀지형 흡음재 및 스티로폼은 국제규격 에 명시된 성능기준을 만족하지 못하는 것으로 평 가되었다. 이러한 실험결과를 고려할 경우, 실험에 사용된 3종의 내장재는 건축물의 격벽 및 바닥 등 의 내장재로 사용하기에는 부적합한 것으로 평가되 었으며, 실험에 사용된 특수가연물을 건축용 내장재 로 사용함에 있어 보다 엄격한 규제가 필요할 것으 로 판단된다.

2. 연소 특성 평가

건축용 내장재의 연소 특성 평가를 위하여 너비 1 m, 높이 2 m 및 폭 0.3 m의 실험틀에 폴리우레 탄폼, 스펀지형 흡음재 및 스티로폼이 건축용 내장 재를 설치하고, 착화에는 부탄용기를 사용하는 가 스토치(KT-2405 1,080 g/h, 13,000 kcal, Kovea)를 사 용하였다.

먼저 흡음재의 경우, Fig. 1과 Fig. 2에 나타낸 바 와 같이 일반재질의 흡음재는 착화와 동시에 급격 히 연소되는 특성을 나타내는데 실험틀 최고 높이 인 2 m까지 화염이 진행되는 시간은 5초에 지나지

(a) Ignition

(b) 3 second

(c) 7 second

Fig. 1. Burning behavior characteristics experiment of the general type sound-absorbing materials(GSAM).

않았다. 난연 처리된 스펀지형 흡음재의 연소실험 에서는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 착화 이후, 자체 적으로 소화되는 특성을 나타내었으며, 연소되지 않 는 것으로 평가되었다. 그러나 착화 과정에서 10초 이상으로 착화시간을 길게 하는 경우, 연소가 진행 되어 실험틀 높이까지 연소 확대되는 시간은 15초 정도로 일반 재질의 흡음재에 비해 약 3배 느린 연 소 확대 특성을 나타내었다.

이러한 결과를 고려할 때, 스펀지형 흡음재가 벽 체 및 천장 전체에 설치되어 있는 구조를 가정할 때, 불과 수초 이내에 실내 공간 전체로 격렬한 연 소가 진행되는 것으로 추정할 수 있다. 특히, 난연 처리된 스펀지형 흡음재의 경우, 자체적으로 소화 가능한 기능을 가지는 것으로 판단되며, 연소가 진

(a) Ignition

(b) 7 second

(c) 20 second

Fig. 2. Burning behavior characteristics experiment of the incombustibility type sound-absorbing materials(ISAM).

행되는 경우, 상대적으로 느린 연소 확대 특성을 나 타내는 것으로 평가되었다.

폴리우레탄폼은 분사 형태의 난연 처리된 제품 으로 착화 즉시 소화되는 특성을 보이며, 착화시간 을 길게 하는 경우에도 착화에 이르기까지는 많은 시간이 소요되며, 착화 이후 연소 확대 경향은 다른 내장재에 비해 더디게 진행되고, 진행 과정에서 다 시 소화되는 특성을 나타내었다.

마지막으로 스티로폼은 착화 이후, 천천히 연소 확대되는 경향을 나타내며, 실험틀 내부에 부착된 스티로폼 전체로 화염이 확대되는데 걸리는 시간은 50여초의 시간이 소요되며, 일단 연소가 확대되는 경우, 소화 작업이 불가능할 정도로 격렬히 연소되 는 특성을 나타내었다.

(a) Ignition

(b) 13 second

(c) 20 second

Fig. 3. Burning behavior characteristics experiment of the polyurethane-foam.

이상의 실험 결과, 실험에 사용된 3종의 건축용 내장재는 난연 처리된 폴리우레탄폼을 제외하면 일 단 착화와 동시에 급속한 연소 확대 경향을 나타내 며, 밀폐구조의 건축물에 다량 적용되는 경우, 폭발 에 준하는 연소 형태를 나타낼 수 있을 것으로 판단 된다.

3. 열방출률, 연기밀도 및 연소가스 측정 스펀지형 흡음재의 연소 과정에서 발생되는 열방 출률, 연기밀도 및 연소가스에 대한 분석을 위하여 연소특성 시험을 수행하였다. 이들 실험에는 Fig. 5 에 나타낸 바와 같이 KS F ISO 5660-1의 규격에 규 정된 콘칼로리미터법을 이용하였다. 시험에 사용한 3종의 내장재 중, 흡음재 및 폴리우레탄폼은 폴리

(a) Ignition

(b) 50 second

(c) 70 second

Fig. 4. Burning behavior characteristics experiment of the styrofoam.

Fig. 5. Schematic diagram of experimental apparatus.

우레탄 재질이며, 스티로폼은 스타이렌 계열의 내장 재로 시험체는 종류별로 동일한 두께(50 mm)의 것 을 2종류의 크기로 샘플링하였다. 2종류의 시험체 중, 100 mm × 100 mm 크기의 시험체는 열방출률 실 험에 사용하고, 75 mm × 75 mm 크기의 시험체는 연 기밀도 및 연소가스 측정에 활용하였다.

열방출률 시험은 국토해양부 고시 2009-0866호 난연재료의 열방출률 실험 및 KS F ISO 5660-1 : 2008 연소성능시험-열방출률, 연기발생, 질량감소율 -제1부 : 열방출률(콘칼로리미터법)에 정의된 시험 방법 및 시험기준을 적용하였다^2,3). 열방출률에 대 한 시험은 콘히터의 복사열을 50 ± 1 kW/m², 배출유 량을 0.024 ± 0.002 m³/s로 설정하고 유지시킨 후, 시 험체와 시험체 홀더를 질량측정 장치 위에 놓고, 복 사열 차단 장치를 제거한 후 5분간 가열하였다. 열 방출률은 연소과정에서 열에너지의 생성속도를 나 타내는 것으로 시험과정에서 최대 열방출률과 총 방출열량을 측정하고, 가열 종료 후 질량측정 장치 에서 시험체 홀더를 제거한 후, 시험체를 관찰하였 다. 열방출률에 대한 시험은 모든 시험 대상 가연물 에 대해 총 3회씩 실시하였으며, 이에 대한 시험결 과는 Fig. 6에 나타낸 바와 같다.

KS F ISO 5660-1에 정의된 열방출률에 대한 성 능기준은 가열시험 개시 후, 5분간 총 방출열량이 8 MJ/m² 이하이며, 5분간 최대 열방출률이 10초 이상 200 kW/m²를 초과하지 않아야 한다. 또한 시험 종 료 후, 시험체를 관통하는 방화상 유해한 균열, 구 멍 및 용융 등이 없어야 한다.

흡음재에 대한 열방출률 시험결과, 일반재질의 경 우, 5분간 총 방출열량은 평균 14.2 MJ/m²로 시험기 준에 정의된 성능 기준을 초과하며, 최대 열방출률 은 415 kW/m²로 성능기준을 2배 이상 초과하는 것 으로 평가되었다. 난연 재질의 흡음재는 5분간 총 방출열량은 평균 12.4 MJ/m²로 일반 재질의 흡음 재에 비해 다소 낮게 측정되지만, 여전히 시험방법 및 성능기준에 규정된 기준을 초과하며, 최대 방출 열량은 평균 391.1 kW/m²이고, 시험체를 관통하는 용융 흔적이 형성되는 상태로 성능기준에 적합하 지 못한 것으로 평가되었다.

폴리우레탄폼의 열방출률 시험결과는 Fig. 6(c)와 같으며, 5분간 총 방출열량은 평균 35.4 MJ/m²로 흡 음재에 비해 훨씬 높게 측정되는 상태로 성능기준 을 만족하지 못하며, 최대 열방출률은 평균 304.8 kW/m²로 측정되었다.

(a) General type sound-absorbing materials

(b) Incombustibility type sound-absorbing materials

(c) Polyurethane-foam

(d) Styrofoam

Fig. 6. Heat release rate of the building materials.

마지막으로 스티로폼의 경우에는 5분간 총 방출 열량은 평균 43.8 MJ/m²로 동일한 시험을 수행한 특수가연물 중, 가장 높은 열방출률을 나타내는 상 태로 성능기준에 규정된 기준을 훨씬 초과하며, 최 대 열방출률은 평균 342.4 kW/m²이고, 시험체를 관 통하는 방화상 유해한 용융이 형성되는 점이 식별 되는 상태로 성능기준에 적합하지 못한 것으로 평 가되었다.

단위 면적당 방출열량은 200 kW 초과 시간이 30 초에서 100초에 근접한 시간을 나타내었으며, 이는 10초를 초과하지 말아야 하는 성능기준을 벗어나 는 것으로 건축용 내장재로 부적합한 특성을 나타 내었다.

이상의 시험결과로부터 시험에 사용된 건축용 내 장재 3종은 열방출률에 대한 시험결과, 건축구조물 의 내장재로 적용 불가한 것으로 판단되며, 건축물 내장재로 활용되는 경우, 엄격한 규제가 뒷받침되 어야 할 것으로 생각된다.

또한 연기밀도 및 연소가스측정 시험은 국제해 사기구(IMO)의 화재시험절차 2편에 준하는 시험절 차에 따라 특수가연물 연소과정에서 발생되는 연 기밀도 및 연소가스에 대하여 측정하였다⁴⁾. 연기밀 도 시험에서는 연기밀도 시험기 연소챔버(이하 연 소챔버)의 콘히터를 가열조건의 조사량으로 맞추고, 연소챔버의 광도계를 원점 조정한 후 100%의 투과 율로 조정하였다. 이후, 시험체를 시험체 홀더에 넣 고 연소챔버의 콘히터 아래의 고정대에 놓은 다음 연소챔버의 문을 닫고 콘히터의 방열차단막을 제 거하여 시험편을 가열할 때, 연기밀도 및 도달시간 을 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 7에 나타낸 바와 같다.

연기밀도에 대한 성능기준은 국제해사기구(IMO) 의 화재시험절차 Part 2에 정의된 사항으로 격벽,

Fig. 7. Smoke density of the building materials.

내장재 및 천장재로 사용하는 재료는 200 mg/m³을 초과하지 않아야 한다.

연소과정에서 발생되는 연기밀도는 200 mg/m³을 초과하고 300 mg/m³ 미만의 값으로 측정되며, 국제 해사기구 화재시험절차 Part 2의 성능기준과 비교 하면 연기밀도가 200 mg/m³을 초과하지 않아야 하 는 기준의 격벽, 내장재 및 천장재로 사용하기에는 부적합한 것으로 나타났다. 특히 일반 흡음재의 경 우, 300 mg/m³에 가까운 값으로 측정되는데 연소거 동 특성 실험에서 일반 흡음재가 연소될 때에는 연 기가 심하지 않았던 것과 비교할 때, 육안으로 관찰 되는 연기의 발생 정도 및 콘칼로리미터를 이용한 측정결과는 서로 상이하게 나타날 수 있음을 보여 준다. 폴리우레탄폼과 스티로폼의 경우에도 연소거 동에 대한 특성 평가 시, 심한 연기가 발생되는 경 향을 보였으나, 연기밀도 측정에서는 상대적으로 적 은 수치를 나타내었다. 이와 같은 연기밀도에 대한 측정 결과에도 불구하고, 시험을 실시한 스펀지형 흡음재, 폴리우레탄폼 및 스티로폼은 격벽, 내장재 및 천장재의 용도로 가장 널리 사용되고 있는 것으 로 이에 대한 사용 규제 등이 필요할 것으로 생각 된다.

연소가스에 대한 측정결과, Table 1에서 나타낸 바와 같이 시험에 사용한 3종의 내장재 모두 일산 화탄소(CO)가 주로 발생되는 것으로 평가되었으며, 염화수소(HCl) 또한 3종의 특수가연물에서 모두 발 생되나, 그 양은 그리 크지 않은 것으로 측정되었다.

연소가스의 측정결과를 Table 2에 나타낸 국제규

Table 1. Measured results of the fire gases sample

gases

Styrofoam [ppm]

Polyurethane- foam [ppm]

GSAM [ppm]

ISAM [ppm]

CO 133.6 148.9 361.1 385.3

HBr No detected No detected No detected No detected

HCN No detected 1.1 3.5 5.5

HCl 5.4 1.8 6.2 5.7

HF No detected No detected No detected No detected NO No detected 0.7 No detected 9.8 NO2 1.7 No detected No detected No detected SO2 No detected No detected No detected No detected GSAM : General type Sound-Absorbing Materials

ISAM : Incombustibility type Sound-Absorbing Materials

Table 2. The limit level of the fire gases

gases CO HCl HBr HCN HF SO2 NOX

limit level

[ppm] 1450 600 600 140 600 120 350

정의 성능기준과 비교하면 한계기준치를 초과하지 않는 것으로 측정되었다. 이러한 실험결과를 고려 할 경우, 연소가스 발생에 관해서는 위험수준은 아 닌 것으로 평가되었으나, 시험에 사용한 특수가연 물은 내장재 및 천장재 등으로 널리 사용되는 것으 로 한정된 공간에 집중적으로 설치될 때를 고려하 면 충분한 위험성이 있을 것으로 생각된다. 또한 연 소가스 측정결과에 더불어 연기밀도에 대한 측정결 과를 종합적으로 고려하면 실험에 사용된 내장재 설치개소에서 화재가 발생되는 경우, 연기 및 연소 가스 발생에 의해 대피 또는 피난에 제약을 받을 수 있을 것으로 사료된다.

열방출률, 연기밀도 및 연소가스 측정에 대한 시 험 결과에서 실험에 사용된 3종의 건축물용 내장재 의 경우, 국제기구에서 규정하는 기준을 초과하는 것으로 평가되었다. 그럼에도 불구하고 현재 가장 널리 사용되고 있는 이들 내장재에 대한 사용 규제 등은 이루어지지 않고 있는 실정으로 실험에 사용 된 특수 가연물에 대해서는 건축물 내장재로 활용 되는 경우, 엄격한 규제가 뒷받침되어야 할 것으로 사료된다.

4. 결 론

본 연구에서는 흡음 및 방음을 목적으로 건축물 의 내장재로 사용되는 스펀지형 흡음재, 폴리우레 탄폼 및 스티로폼에 대한 연소특성 평가를 수행하 였다.

실험틀을 이용한 연소 특성 평가에서는 폴리우레 탄의 경우, 난연 특성에 의해 착화 이후, 자체적으 로 소화되는 특성을 나타내었다. 스펀지형 흡음재 및 스티로폼의 경우에는 연소 확대 시간의 차이는 있지만 전반적으로 가연물이 없어질 때까지 지속적 인 연소 확대 경향을 나타내었으며, 스펀지형 흡음 재는 연소 확대시간이 5초 이내로 밀폐된 공간에 집중적으로 사용하는 경우에는 폭발적인 연소가 진 행될 것으로 판단된다.

콘칼로리미터법을 이용한 열방출률 및 연기밀도 에 대한 시험결과, 3종의 내장재 모두 시험기준에 정의된 성능 기준을 초과하는 결과를 나타내었다.

또한 연기밀도는 3종의 내장재 모두 200 mg/m³을 초과하는 값으로 국제해사기구 화재시험절차 Part 2 Smoke & Toxicity 성능기준과 비교하면 격벽, 내 장재 및 천장재로 사용하기에는 부적합한 것으로 평가되었다.

연소가스에 대한 측정 결과에서는 성능기준을 만 족하는 수준으로 연소가스 발생에 대해서는 위험수 준은 아닌 것으로 평가되었다. 그러나 실험에 사용 된 내장재 설치개소에서 화재가 발생되는 경우, 연 기 및 연소가스 발생에 의해 대피 또는 피난에 제 약을 받을 수 있을 것으로 생각된다.

이러한 실험결과를 고려할 경우, 실험에 사용된 3종의 내장재는 건축구조물의 내장재로 적용 불가 한 것으로 판단되며, 건축물 내장재로 활용되는 경 우, 보다 엄격한 규제가 뒷받침되어야 할 것으로 사 료된다.

참고문헌

1) 송재용 외, “부산실내사격장 화재의 연소 확대 경 로 및 발화원인 분석에 관한 연구”, 2010 한국화 재소방학회 추계학술발표회 자료집, pp. 107~111, 2010.

2) 국토해양부 고시 2009-0866호 난연재료의 열방출 률 실험, 2009.

3) 한국산업규격 KS F ISO 5660-1 : 2008 연소성능시 험-열방출률, 연기발생, 질량감소율-제1부 : 열방 출률(콘칼로리미터법), 2008.

4) International maritime organization, FTP Code, Fire Test Procedure Code Part 2 : Smoke and Toxicity Test, 2010.